电力线通信设计的可靠性分析

电力线通信（PLC）是一种采用电力线作为通讯介质的通信技术。在与供电同一根电力线上传输数据，从而可以将房屋或汽车现有的电力基础设施用于传输数据，而不需要增新加电线。电力线通信技术正在经历快速增长的阶段，并找到了进入多个应用和市场领域的方式，包括智能电网、照明控制、太阳能面板监控、能量计量、家用视频分配、电动汽车等等。全球在提倡节能，这促进了让能源产生和能源消耗的设备互相通讯的需求。电力线通信提供了一个独特的无需新建设施的方法，使智能能量管理技术快速遍布世界各地。和无线解决方案不同，电力线通信不受视线和传输范围的限制。电力线通信对于很多应用来说也是一种低成本和易安装的技术。

　　今天，系统设计者能从超过十家半导体供应商买到电力线通信器件。这些器件很多都针对特定的应用和市场进行了优化。现在有如此广泛的选择余地，开发人员需要懂得影响电力线通信系统性能和可靠性的因素，并能克服通常的设计挑战。

　　任何通信系统都包括四个主要组成部分：

　　1。发射机

　　2。接收机

　　3。通讯介质

　　4。信号本身

　　如前面提到的，在电力线通信的通讯介质是电力线。图1显示了一个通用电力线通信系统框图。发射机调制信号并发送到电力线。另一头的接收机解调信号并接收数据。当到达接收机时信号被电力线的阻抗衰减了。当信号通过电力时，介质中的任何噪声也会破坏信号。

 

图1:一个典型的电力线通信系统框图。电力线阻抗衰减了传输信号的。线路噪声可明显影响信号。

　　简要地介绍了一下基础，让我们逐个介绍一下影响电力线通信系统性能和可靠性的因素。这些因素包括：

　　1）发送信号强度

　　2）电力线噪声

　　3）电力网络阻抗

　　4）网络协议

　　5）接收机灵敏度

　　对于这些因素我会逐个做一些建议。最后，也会讨论一下多个阶段和系统成本。

　　发送（Tx）信号的强度

　　较强的Tx信号意味着更多的信号功率经过电力线。较强的信号是不易受电力线噪声影响的，可以传输地更远。Tx信号的强度也会影响电力线通信节点功耗，因为信号能量输入到电力线越多，节点消耗的能量也越多。

　　更理想的情况是，开发人员会增加发射机的信号强度，直到他们达到电力线最佳的性能和功率消耗。然而，Tx信号强度受到一些组织的严密的控制的，如北美的FCC和欧洲的CENELEC。FCC和CENELEC也规范声波，可以由主Tx信号传输到电力线。这些法规要做的是，防止不同频带的信号互相干扰。

　　当选择一个电力线通信设备时，检查一下Tx信号是否符合目标市场的强度大小要求。同时也应该符合FCC和CENELEC标准。理想的情况是，Tx增益应该是可配置的，这样你可以根据其他系统调试Tx信号强度。此外，确认PLC节点消耗多少能量，从而达到FCC和CENELEC要求的最佳发射信号的强度。当然，能量消耗越少越好。

　　电力线噪声

　　一旦发射信号注入到电力线，其完整性取决于线路上噪声大小-噪声越强对噪声的信号破坏就越大。电力线噪声可以来自多个方面。电力线噪声可以简单地分为两种类型：脉冲型和连续型。

　　脉冲噪声是不可预知的，并以脉冲序列出现，如图2所示。例如，这种类型的噪声可以来自于一个在厨房里搅拌机的开关。很难设计一个这样的系统，其可忍受不可预测的，巨大的脉冲噪声而不降低数据速率。更常见的情况是，这种类型的噪声会完全覆盖线路上的任何数据包。

 

图2:电力线脉冲噪声

　　连续噪声，在另一方面，比脉冲噪声更容易预测（见图3）。连续噪声通常取决于社区，城市，或国家的电力线安装质量。因为电力基础设施最初是设计来用于有效地传输电力而不是数据，所以电力线安装时很少注意到线路的噪声水平。根据系统工作在地球的哪个地方，电力线噪声可能大也可能小。

 

图3:电力线连续噪声

　　为了能够在电力线上鲁棒性通讯，信噪比（SNR）需要保持在一定的阈值。如果在PLC系统频率范围内有高振幅的连续噪声，最好要隔离噪声，可以通过从PLC接收机移除，或通过在产生噪声设备供电端增加一个拦截电感，来削弱噪声频率使其低于接收机信噪比。

　　还有其他一些技术可以使开发人员克服噪声的影响：

　　双向通讯：如果PLC系统只是单方向通讯，那么没有任何方法使发射机知道通讯是成功还是失败。这是原始单向X10电力线通信技术的最大缺点之一。双向通讯可以使接收机成功接收数据后发出确认。如果没有收到确认，发射机可以进行纠正。

　　重试：在一个双向系统，通讯可以使用确认机制------如果发射机没有收到接收机的确认，那么智能发射机可重发数据包。如果将自动重试功能设计到电力线通信应用中，就成为可以在电力线上实现高可靠性通信的一个非常有用的手段。

　　错误检测：即使数据包被成功地收到，我们也需要检查其是否受到噪声破坏。这就是循环冗余检查（CRC）发挥的作用。CRC使得接收机可以侦测到收到的任何错误的数据包。当检测到一个错误的数据包时，接收机可以选择要么请求发射机重发数据包或不发出承认确认（结果是触发发射机自动发出数据包重试）。

　　自适应增益控制：为了克服连续噪声的影响，一些电力线通信设备可以实现自适应增益控制（AGC）。利用AGC，接收机可以在噪声平面动态调整灵敏度，所以它能更好的区分噪声和数据。

　　很明显，一个系统里调解或克服噪声的方法越多，那么这个系统就越可靠。具备双向通讯的确认机制，同时还有重试和CRC，对噪声控制会更有利。

　　电力线网络阻抗

　　电力线上的信号阻抗会影响信号功率，可以由发射机传输到电力线。此阻抗依赖于电力线和连接到电力线的节点/设备的阻抗。每次设备或节点插进电源插座时电力线阻抗都会发生变化。当电力线信号阻抗和发射机电路匹配时，传输的信号功率最大。这两个阻抗相差越大，传输信号功率越小，因而，电力线通信性能会更差。

　　这种阻抗动态变化是在电力线通讯中最棘手的问题之一。如果想要达到的电力信号性能的鲁棒性，那么电力线通信的发射机和接收机需要事先设计能预测这些阻抗的变化。发射机的不断地和电力线匹配阻抗，可以使信号最大化传输，同时接收机高阻抗可以确保接收端信号丢失最少。

网络协议

　　一个良好的鲁棒性和无差错的网络协议可能对电力线通信的可靠性有最大的影响。系统设计很少有不受物理因素控制的，如噪声和电力线阻抗，最优化电力线通信网络协议的实施可显着提高PLC的性能。网络协议可以使PLC系统成功或失败，使用正确的网络协议，有可能达到100%成功的电力线通信。

　　考虑到大多数电力线通信应用支持同一电力线上有数十到数百节点连接，网络协议对节点间的数据包进行判断，这样所有节点可以公平地共享线上可用带宽，没有一个节点可以独占通信通道。网络协议的定义和实施也确定了可以在同一条线上通讯的PLC节点最大数量。这篇文章所讨论的噪声章节，其大部分技术中可以用网络协议实现，例如，确认、重试、CRC。跑在PLC系统上的程序实现方式，不必担心其技术实现。从应用程序来看，软件只会收到有效的电力线通信数据。一些电力线通信设备内置了网络协议，而另一些则要求开发人员定义、写代码、并进行管理。如果协议不能在PLC设备本身运行，开发人员需要考虑指定另一个处理器来运行协议。

　　另一个重要的方面就是互操作性和共处。CENELEC委员会的载波侦听多路访问（CSMA）（见图4）确保了一套电力线通信节点可以与其他厂商的共存。PLC设备以令人难以置信的速度增长，这是保证PLC设备部署面向未来的一个重要方式。

 

图4：多个PLC节点共享同一条电力线

　　CENELEC委员会的载波侦听多路访问（CSMA）方法确保了多个节电可以在同一条电力线共存并有效的共享访问。

　　接收机（Rx）灵敏度

　　根据电力线的特点、负载、和通过电力线的分段长度，信号在接收机接收之前会明显减弱。有较高接收灵敏度的接收机（也就是说，它可以可靠地接收到非常低强度的信号）可以从线上收到较低强度的信号，从而可以增加有效的通讯距离。然而，高灵敏度并不总是好的。例如，一个高灵敏度的接收机，不仅能检测到小信号，它也能检测到通道中的小噪声。因此，重要的是，需要有一个机制可以有效的防止接收机把噪声混淆为实际信号。自适应增益控制（AGC）就是可以达到这个目的一种机制。就象之前讨论的，使用自适应增益控制，接收机可以在噪声平面动态调整灵敏度，这样它就可以更好的区分噪声和数据。

　　多个相位

　　大多数的建筑物有50Hz/60Hz变压器产生的多个相位。因为大多数PLC信号工作在较高的频率，所以有一种可能，就是信号会被变压器过滤掉，因而无法传输到相邻的相位。相邻相位很可能就在同一幢房子里。这就产生了一个潜在的问题，PLC信号不能到达房子或建筑物的所有相位。这是完全依赖于变压器的设计。解决这个问题的办法是，把PLC信号从一个相位耦合到到另一个。有两种大家都了解的技术可以做到这一点：

　　1）电容式相耦合：这种技术需要在变压器端连接一个电容穿过相位，PLC信号可以通过。在这里，变压器的物理访问是必需的，在许多情况下这种方法可能不可行或性价比高。

　　2）：无线相耦合：在这种技术中，PLC数据从一个相位传输到另一个时使用了两种射频设备—每个相位连接一个。这两个设备可以连接到相位的任何插座，只要他们都在彼此的范围。实施这一技术不需要用到变压器的物理存取。

　　无线耦合不会打扰到变压器，因此在大多数情况下它比电容耦合更受欢迎。一些电力线通信设备出厂时就有无线耦合可供选择，而另一些设备没有无线耦合选项，需要设计者自己开发一种相位耦合方式。

　　系统成本

　　电力线通信中可靠性是一个关键的设计因素，同时，为了在市场上进行竞争，它也必须减少系统成本。当把电力线通信添加到系统时，一些设计者总是积极洽谈芯片的价格，而忽略增加电力线通信功能到他们系统的整体成本。需要保证的是，要更加全面地看待电力线通信给系统增加的成本。

　　电力线通信成本可以广泛地分为材料（BOM）成本和开发成本，见图5。BOM成本包括所有组成系统的IC和元件的成本，包括PLC和其他系统相关功能。另一方面，开发成本包括其他资源的成本，包括：

　　网络协议的实施

　　制板和PCB设计

　　FCC认证，CENELEC，UL标准。

 

图5:实施电力线通信解决方案涉及的费用

　　开发人员可以把尽可能多的这些费用项目通过整合，放到最少的器件中，从而降低系统成本。例如，同一颗IC既支持调制解调器又支持网络协议就会比使用分立IC的成本低（也就是说，一颗用于调制解调器，另一颗用于网络协议）。集成其他的系统功能（比如能源测量、LCD驱动、温度感应、负载控制）也会降低系统成本，同时也可降低整合与开发的复杂性（图6）。许多PLC控制器也可以提供FCC、CENELEC和UL标准认证了的参考设计，可以进一步加速开发进度。总的来说，PLC方案越完整，开发所用的时间和成本就会越少。

 

图6:集成了物理层调制解调器、网络协议、应用层的PLC器件